超空泡航行体的变结构控制器设计

超空泡航行体由于浮力缺失以及尾部滑行力的出现，使航行体具有了尾拍、结构振动和非线性等复杂的运动特征，给超空泡航行体的运动稳定控制设计造成了极大的困难。通过分析作用在超空泡航行体上的流体动力，推导出了超空泡下潜一俯仰面运动数学模型。依据对该模型开环时的系统特性分析，针对开环系统的不稳定性，设计了基于改进型指数趋近率的变结构控制器，并进行了数学仿真。仿真结果表明，该闭环系统响应快速，具有良好的稳定性能。     

基于反演设计的超空泡航行体滑模控制

超空泡航行体是一个具有非线性滑行力、系统参数不确定性的多变量系统。文中以Dzielski提出的航行体模型作为基础,分析了超空泡航行体在运动中,由于空泡形态、尾部湍流等因素引起的不确定性及外界干扰力。利用反演法设计了超空泡航行体的滑模控制器,并在控制器设计中加入自适应律,估计不确定项的上界。仿真结果表明,设计的控制器能够有效的调整超空泡航行体的纵向状态,并对设计的标准弹道表现出良好的跟踪性能。     

基于二维分岔的超空泡航行体非线性动力学特性分析

基于二维分岔图,利用相轨图、时域仿真图、Lyapunov指数谱等动力学分析工具分析了超空泡航行体复杂的动力学行为,探讨了超空泡航行体运动状态随尾翼偏转角反馈控制增益及空化数的变化规律,确定了航行体稳定运动的条件和参数范围。结果表明:随着参数的变化,超空泡航行体的动力学行为中存在分岔、混沌、周期窗等丰富的非线性物理现象; 合理调整尾翼偏转角,能够有效抑制航行体的振荡与冲击。研究结果对超空泡航行体控制器的设计具有重要的指导意义。     

超空泡航行体鲁棒H∞控制研究

超空泡航行体的独特航行环境决定它是一个具有运动学耦合、惯性耦合、控制作用耦合、系统参数不确定性特点的多变量系统。针对超空泡航行体的上述特点，文中开展了对超空泡航行体控制系统的鲁棒控制方法的研究。在超空泡航行体的纵平面内数学模型的基础上，设计了超空泡航行体运动的鲁棒H∞／加权混合灵敏度控制器，并在Matlab／Simulink环境下进行了仿真，仿真结果验证了该鲁棒控制器对超空泡航行体运动控制的有效性和鲁棒性。     

基于混合扩展卡尔曼滤波的超空泡航行体变深运动控制研究

为解决测量和环境噪声导致的超空泡航行体在变深运动中的失稳问题,提出一种基于混合扩展卡尔曼滤波算法的控制方法。进行水洞实验获取超空泡航行体模型在控制过程中的测量和环境噪声,采用这些数据改进了超空泡航行体的纵向运动数学模型;基于混合扩展卡尔曼滤波算法改进了超空泡航行体变深运动控制器。仿真结果表明,混合扩展卡尔曼滤波算法能够有效地提高超空泡航行体变深运动的稳定性。     

非定常人工通气超空泡数学仿真与分析

针对人工通气超空泡涉及因素多、时变特性强、实现难度大、成本代价高的复杂工程问题,开展了非定常人工通气超空泡数学仿真研究.根据Logvinovich的空泡截面扩展独立性原理,建立了非定常通气超空泡形态模型,给出了仿真计算方法,对影响超空泡形态的因素进行了动态仿真计算,得到了不同充气参数和运动参数下空泡形态变化规律以及与航行体表面的相对位置关系,提出了满足航行体高速运动稳定的空泡闭合位置要求.研究结果对水下高速航行体的通气系统设计和航行性能设计均具有重要的参考价值,并可为工程应用研究提供理论基础.     

超空泡水下航行器尾喷温度对空泡形态的影响

为了满足超空泡水下航行体稳定航行的流体动力条件,在航行体上闭合的空泡必须具有特定的形态,形成必要的流体动力布局,来平衡航行体自身的重力以及所受的力矩。该文采用计算流体动力（CFD）方法对2D模型通气超空泡及尾部喷流进行一体化数值仿真研究。在模型处于零攻角时,对不同尾喷温度下的通气超空化流场进行数值分析,得出了超空泡形态随尾部喷流温度的变化规律,与试验所得规律一致,为超空泡航行体的流体动力特性与动力布局研究提供了参考。     

水下超空泡航行体减阻能力的数值研究

采用计算流体力学的方法研究了超空泡水下航行体在高速发射以后的运动规律.采用动态网格,实现了全数值模拟超空泡航行体在水中的运动过程及空泡的生成规律.比较了航行体周围是否产生空泡与航行体是否有推力4种情况,计算结果表明超空泡具有非常好的水下减阻能力.利用超空泡技术可以在不大的推力下使水下航行体的航行速度提高3倍,超空泡航行体应采用火箭发动机动力装置.     

超空泡航行体控制面与主空泡相互作用分析

基于有限体积法,采用均相流模型和流体体积方法开展超空泡航行体在不同空泡流型及不同控制面舵角情况下空化流场数值模拟,研究穿刺空泡情况下超空泡航行体尾部控制面与航行体主空泡之间的相互作用。数值模拟结果表明：航行体主空泡对控制面的影响表现为不同流型下控制面沾湿深度不同,沾湿深度变化量最大可达50%以上,控制面流体动力受沾湿深度影响明显;航行体尾部控制面对主空泡闭合有迟滞作用,主空泡长度平均增量约为3%,控制面存在舵角时将会引起控制面之后的航行体主空泡形态变化,可引起航行体出现不对称沾湿面,且尾部闭合流型受影响最大。因此,超空泡航行体空泡流型设计与控制律设计时应充分考虑控制面与航行体主空泡之间的相互作用。     

基于无迹卡尔曼滤波的超空泡航行体最优控制研究

针对超空泡航行体运动过程中环境噪声和测量噪声带来的不利影响,提出一种基于无迹卡尔曼滤波器（UKF）的最优控制算法。通过超空泡航行体动力学建模,建立含有环境噪声和测量噪声的状态方程,分别在无滤波器和含有UKF情况下的最优控制器进行了仿真分析。研究结果表明：在环境噪声和测量噪声干扰下,超空泡航行体跟踪误差较大,运动极其不稳定,处于失稳状态;在UKF作用下,超空泡航行体跟踪误差明显减小,在较短时间内达到全包裹状态,有较好的信号处理效果。     

超空泡航行体外形设计及航程分析

航行体形状及长细比等参数对超空泡航行体的阻力特性及运动稳定性有着直接的影响,并最终决定航程大小.基于Fluent6.2中的空泡模型对一定速度范围内的超空泡航行体的两相流流场进行了数值模拟,比较了4种不同外形的超空泡形态及阻力特性,并对其航程进行了分析,为给定初速下航程最大的超空泡航行体外形设计提供了理论依据.     

浅水区串联航行体超空泡流动特性研究

为了研究浅水区串联航行体超空泡流动特性,采用VOF多相流模型建立了空气、水、水蒸气的混合相的连续性方程和动量方程,对串联航行体在浅水区形成的超空泡流场进行了数值模拟,研究了水深和航行体间距对超空泡流动的影响。研究结果表明:前后串联航行体在运动过程中均会形成超空泡,且空泡的初始形态、轮廓近似,并在自由面激起先导波浪; 在浅水区,会有上方空气卷入超空泡内,但是随着水深的增加,上方空气不再卷入空泡内; 随着航行体间距的增大,充分发展阶段的超空泡轮廓变得越加平缓,当间距大于5倍的航行体长度时,不同间距下的串联航行体超空泡轮廓无明显差异。     

超空泡技术的应用现状和发展趋势

综述了超空泡技术的应用背景、理论基础、研究概况和目前存在的问题．文章从空泡流理论出发。介绍了超空泡的定义、超空泡减阻的基本思想和超空泡鱼雷的工作原理，并分析了超空泡技术研究中的关键问题和未来发展趋势．     

超空泡水下航行器空间运动建模与弹道仿真

在包含超空泡“时间延迟”效应的基础上,建立了超空泡水下航行器空间运动模型。模型中体现了机动条件下空泡中轴线相对航行器中轴线的偏移产生的流体动力及力矩。为考察该模型在强机动条件下的准确性,进行了弹道仿真分析。结果表明所建立的模型能够描述航行器机动运动的特性;同时表明在实施极限操舵模式时,舵角极限量是影响姿态角对舵角振荡特性的关键因素。该结论对超空泡水下航行器控制技术研究具有重要意义。     

超空泡射弹动力稳定性的非概率可靠性分析

超空泡射弹水下高速运动时,前端所受轴向扰动载荷非常大。考虑到扰动载荷的不确定性,有必要对超空泡射弹进行动力稳定性的可靠性分析。建立超空泡射弹截锥形结构的动力偏微分方程,并将其转化为二阶常微分Mathieu型参数振动方程,利用Bolotin方法对其动力稳定性进行数值计算,给出射弹结构动力稳定性的安全余量方程。分别分析了不同弹体杆径比、不同射弹航行速度以及不同弹体长度3种情况对超空泡射弹动力稳定性的影响,在此基础上进行了结构的非概率可靠性分析,得到了结构的非概率可靠度,通过算例说明该方法的有效性。超空泡射弹水下高速运动时,前端所受轴向扰动载荷非常大。考虑到扰动载荷的不确定性,有必要对超空泡射弹进行动力稳定性的可靠性分析。建立超空泡射弹截锥形结构的动力偏微分方程,并将其转化为二阶常微分Mathieu型参数振动方程,利用Bolotin方法对其动力稳定性进行数值计算,给出射弹结构动力稳定性的安全余量方程。分别分析了不同弹体杆径比、不同射弹航行速度以及不同弹体长度3种情况对超空泡射弹动力稳定性的影响,在此基础上进行了结构的非概率可靠性分析,得到了结构的非概率可靠度,通过算例说明该方法的有效性。